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1、第十章第十章 生物氧化生物氧化维维持持生生命命活活动动的的能能量量，主主要有两个来源：要有两个来源：光光能能（太太阳阳能能）：植植物物和和某某些些藻藻类类，通通过过光光合合作作用用将光能转变成生物能。将光能转变成生物能。化化学学能能：动动物物和和大大多多数数的的微微生生物物，通通过过生生物物氧氧化化作作用用将将有有机机物物质质（主主要要是是各各种种光光合合作作用用产产物物）存存储储的的化化学学能能释释放放出出来来，并并转转变变成生物能。成生物能。有有机机物物质质在在生生物物体体内内的的氧氧化化作作用用，称称为为生生物物氧氧化化。生生物物氧氧化化通通常常需需要要消消耗耗氧氧，所所以以又又称称为为
2、呼呼吸吸作作用用。在在整整个个生生物物氧氧化化过过程程中中，有有机机物物质质最最终终被被氧氧化化成成COCO2 2和和水水，并并释释放放出能量出能量。而而外外源源有有机机物物（药药物物、毒毒物物等等）进进入入机机体体后后，在在微微粒粒体体氧氧化化酶酶系系的的作作用用下下，将将发发生生一一系系列列化化学学变变化化并并形形成成一一些些分分解解产产物物或或衍衍生生物物，此此种种过过程称为程称为生物转化生物转化或或代谢转化代谢转化。生物氧化的特点生物氧化的特点1 1，生生物物氧氧化化是是在在生生物物细细胞胞内内进进行行的的酶酶促促氧氧化化过过程，反应条件温和（水溶液，程，反应条件温和（水溶液，pHpH
3、 7 7和常温）。和常温）。2 2，氧氧化化进进行行过过程程中中，必必然然伴伴随随生生物物还还原原反反应应的的发生。发生。3 3，水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应的的氧氧供供体体。通通过过加加水水脱氢作用直接参予了氧化反应。脱氢作用直接参予了氧化反应。4 4，在在生生物物氧氧化化中中，碳碳的的氧氧化化和和氢氢的的氧氧化化是是非非同同步步进进行行的的。氧氧化化过过程程中中脱脱下下来来的的氢氢质质子子和和电电子子，通常由各种载体，如通常由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。5 5，生物氧化是一个分步进行的过程。每，生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊
4、的酶催化，每一步反应的一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在反应模式有利于在温和的条件下释放能温和的条件下释放能量，提高能量利用率量，提高能量利用率。6 6，生物氧化释放的能量，通过与，生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合合成相偶联，转换成生物体能够直接利用成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能的生物能ATPATP。一般的能量形式，如光能（如太阳能）、一般的能量形式，如光能（如太阳能）、热能和化学能等，都不能为生物细胞直热能和化学能等，都不能为生物细胞直接利用。接利用。光能需要通过光合作用转变成光能需要通过
5、光合作用转变成ATP(ATP(光合光合磷酸化磷酸化) )；化学能则需要通过生物氧化转；化学能则需要通过生物氧化转变成变成ATPATP（氧化磷酸化）。（氧化磷酸化）。ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形是能够被生物细胞直接利用的能量形式式。 高能化合物高能化合物磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。能够释放出自由能。一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ /mol21 kJ /mol（5 5千卡千卡/mol)/mol)以上自由能（
6、以上自由能（ G G -21 kJ / mol -21 kJ / mol）的化合物）的化合物称为高能化合物。称为高能化合物。ATPATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。成以下几种类型。 1,1,高高能能磷磷酸酸化化合物合物结构结构 G G 千千焦焦耳耳/ /摩尔摩尔 G G （千千卡卡/ /摩摩尔）尔）磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酸酮酸-61.9-61.914.814.83-3-磷磷酸酸甘甘油油酸酸磷酸磷酸-49.3-49.311.811.8磷酸肌酸磷
7、酸肌酸-43.1-43.110.310.3乙酰基磷酸乙酰基磷酸-42.3-42.310.110.1三磷酸腺苷三磷酸腺苷-30.5-30.57.37.3第一节、线粒体呼吸链和第一节、线粒体呼吸链和ATPATP合成合成细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为系统组成的这种代谢途径一般称为生
8、物氧化还生物氧化还原链原链，当受氢体是氧时，称为，当受氢体是氧时，称为呼吸链呼吸链。一、一、线粒体呼吸链的组成线粒体呼吸链的组成线线粒粒体体的的功功能能呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置复合物复合物I I-NADH-NADH 泛醌还原酶泛醌还原酶NADHNADH Q Q还原酶最还原酶最少含有少含有1616个多肽亚个多肽亚基。它的活性部分基。它的活性部分含有辅基含有辅基FMNFMN和铁和铁硫蛋白。硫蛋白。FMNFMN的作用是接受的作用是接受脱氢酶脱下来的电脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还子和质子，形成还原型原型FMNHFMNH2 2。还原。还原型型FMNHFMN
9、H2 2可以进一可以进一步将电子转移给步将电子转移给Q Q。 简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶, , 即复合即复合物物I I，它的作用是催化，它的作用是催化NADHNADH的氧化的氧化脱氢以及脱氢以及Q Q的还原。所以它既是一的还原。所以它既是一种种脱氢酶脱氢酶，也是一种，也是一种还原酶还原酶。铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白( (简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子是一种与电子传递有关的蛋白质，传递有关的蛋白质，它与它与NADHNADH Q Q还原还原酶的其它蛋白质组酶的其它蛋白质组分结合成复合物形分结合成复合物形式存在。式存在。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过FeFe3+3
10、+ Fe Fe2+2+ 变化起传变化起传递电子的作用。递电子的作用。 泛醌泛醌简简 写写 为为 Q Q或或 辅辅 酶酶 - -Q Q（CoQCoQ）：它它是是电电子子传传递递链链中中唯唯一一的的非非蛋蛋白白电电子子载载体体。为为一一种种脂脂溶溶性性醌醌类类化合物化合物。Q Q ( (醌醌型型结结构构) ) 很很容容易易接接受受电电子子和和质质子子，还还原原成成QHQH2 2（还还原原型型）；QHQH2 2也也容容易易给给出出电电子子和和质质子子，重重新新氧氧化化成成Q Q。因因此此，它它在在线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中作作为为电电子子和和质质子子的的传传递体递体。 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c
11、 c还原酶还原酶简简写写为为QHQH2 2-cyt. -cyt. c c还还原原酶酶, , 即即复复合合物物III, III, 它它是是线线粒粒体体内内膜膜上上的的一一种种跨跨膜膜蛋蛋白白复复合合物物，其其作作用用是是催催化化还还原原型型QHQH2 2的的氧氧 化化 和和 细细 胞胞 色色 素素c c（cyt. ccyt. c）的还原。）的还原。QHQH2 2-cyt. -cyt. c c还还原原酶酶由由9 9个个多多肽肽亚亚基基组组成成。活活性性部部分分主主要要包包括括细细胞胞色色素素b b 和和c c1 1，以以及及铁铁硫硫蛋蛋白白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。由于由于QHQH2 2是
12、一个双电子载体，而参与上述反应过程的是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分其它组分( (如如cyt.c)cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。反应情况比较复杂。QHQH2 2所携带的一个高能电子通过所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给铁硫蛋白，传递给cyt.ccyt.c，本身形成半醌自由基，本身形成半醌自由基（QHQH ）；另一个电子则传递给）；另一个电子则传递给cyt.bcyt.b。还原型。还原型cyt.bcyt.b可以将可以将QHQH 还原成还原成QHQH2 2。其结果是通过一个循环，。其结果是通过一个循环，QHQH2 2将其中的
13、一个电子传递给将其中的一个电子传递给cyt.ccyt.c。简简写写为为cyt. cyt. 是是含含铁铁的的电电子子传传递递体体，辅辅基基为为铁铁卟卟啉啉的的衍衍生生物物，铁铁原原子子处处于于卟卟啉啉环环的的中中心心，构构成成血血红红素素。各各种种细细胞胞色色素素的的辅辅基基结结构构略略有有不不同同。线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中主主要要含含有有细细胞胞色色素素a, a, b, b, c c 和和c c1 1等等，组组成成它它们们的的辅辅基基分别为分别为血红素血红素A A、B B和和C C。细细胞胞色色素素主主要要是是通通过过FeFe3+3+ FeFe2+2+ 的的互互变变起起传传递递电电子子的作
14、用的。的作用的。血红素血红素A血红素血红素B血红素血红素C细胞色素细胞色素 细胞色素细胞色素c c（cyt.ccyt.c）它它是是电电子子传传递递链链中中一一个个独独立立的的蛋蛋白白质质电电子子载载体体，位位于于线线粒粒体体内内膜膜外外表表，属属于于膜膜周周蛋蛋白白，易易溶溶于于水水。它它与与细细胞胞色色素素c c1 1含含有有相相同同的的辅辅基基，但但是是蛋蛋白白组组成成则则有有所所不不同同。在在电电子子传传递递过过程程中中，cyt. cyt. c c通通过过FeFe3+3+ FeFe2+2+ 的的互互变变起起电电子子传传递递中中间间体作用。体作用。 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶简写为
15、简写为cyt. c cyt. c 氧化酶，即复合氧化酶，即复合物物IVIV，它是位于，它是位于线粒体呼吸链末线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，端的蛋白复合物，由由1212个多肽亚基个多肽亚基组成。活性部分组成。活性部分主要包括主要包括cyt. acyt. a和和a a3 3。在电子传。在电子传递过程中，分子递过程中，分子中的铜离子可以中的铜离子可以发生发生CuCu+ + Cu Cu2+2+ 的互变，将的互变，将cyt.ccyt.c所携带的所携带的电子传递给电子传递给O O2 2。复合物复合物II-II-琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶琥琥珀珀酸酸是是生生物物代代谢谢过过程程（三三羧羧酸酸循循环环）
16、中中产产生生的的中中间间产产物物，它它在在琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶（复复合合物物IIII）催催化化下下，将将两两个个高高能能电电子子传传递递给给Q Q。再再通通过过QHQH2 2-cyt, -cyt, c c还还原原酶、酶、cyt.ccyt.c和和cyt.ccyt.c氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到O O2 2。琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶也是还原酶也是存在于线粒体内膜上存在于线粒体内膜上的蛋白复合物的蛋白复合物, , 它比它比NADH-QNADH-Q还原酶的结构还原酶的结构简单，由简单，由4 4个不同的多个不同的多肽亚基组成。其活性肽亚基组成。其活性部分含有部分含有辅基辅基FADFAD和铁和铁硫蛋白硫蛋白。 二、氧化二、氧化- -还原电势与自由能的变化还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物( (氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADHNADH传递
